CN112500011B - 一种碳化钢渣轻骨料的制备方法及包含碳化钢渣轻骨料的混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化钢渣轻骨料的制备方法及包含碳化钢渣轻骨料的混凝土，所述碳化钢渣轻骨料的制备方法包括以下步骤：步骤一、称取40‑60质量份的钢渣粉、30‑50质量份的玻化微珠以及10‑30质量份的生石灰放入托盘中混合形成均匀的混合粉体；步骤二、按一定的水灰比向混合粉体表面均匀喷洒水珠，并不断的摇晃振荡托盘，粉体与水混合形成小球，得到钢渣轻骨料；步骤三、将钢渣轻骨料放置在温度20±1℃，相对湿度为55±5％的养护室内养护48h；步骤四、将养护好的钢渣轻骨料放入碳化箱中碳化24h。本发明具有制备工艺简单，骨料轻质高强，成本低，生产低碳环保等优点。应用到混凝土中能提供内部养护，促进胶凝材料的水化，并能减少混凝土的收缩开裂。

Description

一种碳化钢渣轻骨料的制备方法及包含碳化钢渣轻骨料的混 凝土

技术领域

本发明涉及工业废渣综合利用技术领域，具体涉及一种碳化钢渣轻骨料的制备方法及包含碳化钢渣轻骨料的混凝土。

背景技术

钢渣是钢铁精炼过程中产生的典型冶金副产品，其中含有大量的CaO、SiO₂和少量的Al₂O₃和MgO。据估计，2020年全球钢渣产量约为1.9亿至2.9亿吨。在中国，每年的钢渣排放量超过1亿吨，而利用率却不到30％。由于水化活性相对较差，潜在的体积不稳定性和低可磨性的问题，大多数钢渣没有得到充分利用，因此探索能消耗大量钢渣的更多应用途径对于钢渣的回收利用至关重要。由于混凝土行业的巨大需求，使用钢渣作为混凝土原材料中的矿物掺合料已经成为目前最常用的方法。然而，由于钢渣中的活性物质相对较少导致其水化活性相对较差，而且钢渣中的铁相含量较高，在磨细钢渣的过程中会消耗更多的能量，更重要的是，由于钢渣中含有大量的游离CaO(f-CaO)，掺入到混凝土中可能会导致其体积膨胀过大而产生开裂现象，破坏混凝土的力学性能和耐久性能。

钢渣中的主要成分有CaO、SiO₂和Al₂O_3，其中Ca主要存在于硅酸二钙、硅酸三钙、氢氧化钙以及少量f-CaO等物质中，因此其在富含CO₂的环境下具有很高的碳化反应活性，会碳化成方解石，文石等形式的碳酸钙。钢渣碳化能够提高其早期强度，而且能够使f-CaO 碳化成碳酸钙，消除钢渣对混凝土体积稳定性的不利影响，还能够吸收工业生产中产生的CO₂，减少温室气体的排放，具有一定的经济效益和环保效益。在普通混凝土中，骨料的体积能够占到60％，随着天然砂石原材料的大量开采和基础工程建设的不断发展，最近几年天然砂石骨料的资源出现了紧缺现象，急需寻找新的骨料来源。如果能够采用钢渣部分取代混凝土中的细骨料或者粗骨料，将会极具扩大钢渣的利用率并缓解砂石骨料来源的压力。

公开号为CN110282925A的专利公开了一种碳化钢渣人工多孔骨料，采用钢渣粉、粉煤灰和硅酸盐水泥加水混合后形成一种多孔骨料，养护72h小时后放入碳化釜中，通入浓度为5-100vt.％的CO₂，压力为0.052-1MPa，控制碳化时间为0.5-72h，得到压碎指标为10％左右的碳化钢渣人工多孔骨料。该技术中未碳化人工骨料养护时间过长，延长生产时间，而且需要压力进行碳化，对设备要求较高，碳化钢渣人工骨料中掺入了硅酸盐水泥增大了所制备混凝土中的水泥含量，没达到低碳环保的目的。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足，提供了一种碳化钢渣轻骨料的制备方法，本发明能够提高钢渣的稳定性，扩大钢渣的应用范围，进一步提高钢渣的资源录用率；此外，本发明还提供了一种包含碳化钢渣轻骨料的混凝土，能够缓解混凝土中天然骨料稀缺所带来的生产压力。本发明具备制备工艺简单、骨料轻质强、成本低、生产低碳环保等优点。将本发明的碳化钢渣应用到混凝土中能提供内部养护，促进胶凝材料的水化，并能减少混凝土的收缩开裂。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种碳化钢渣轻骨料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、称取40-60质量份的钢渣粉、30-50质量份的玻化微珠以及10-30质量份的生石灰放入托盘中混合形成均匀的混合粉体；

步骤二、按一定的水灰比向混合粉体表面均匀喷洒水珠，并不断的摇晃振荡托盘，粉体与水混合形成小球，粒径不断增大，得到钢渣轻骨料；

步骤三、将钢渣轻骨料放置在温度20±1℃，相对湿度为55±5％的养护室内养护48h；

步骤四、将养护好的钢渣轻骨料放入温度为20±1℃，相对湿度为70±5％，CO₂浓度为80％的碳化箱中碳化24h，由此得到碳化钢渣轻骨料。

作为优选的技术方案，所述步骤一中，钢渣粉的比表面积为280m²/kg；玻化微珠的比表面积为120m²/kg，堆积密度为240kg/m³,表观密度为400kg/m³；生石灰比表面积为400m²/kg，有效CaO质量分数大于75％。

作为优选的技术方案，所述步骤一中，包括50质量份钢渣粉、30质量份玻化微珠、20质量份生石灰。

作为优选的技术方案，所述步骤二中，水与混合粉体的质量比为0.3，钢渣轻骨料的粒径范围为5-20mm。

作为优选的技术方案，所述步骤二中，托盘单位面积的喷水量相同。

本发明的第二方面，提供一种包含碳化渣轻骨料的混凝土，包括上述的碳化钢渣轻骨料混凝土、水泥、矿粉、粉煤灰、拌合水、细骨料及外加剂。

作为优选的技术方案，单方混凝土中，按重量计，包括以下各组分：P.O42.5水泥223 千克、S95矿粉97千克、自来水170千克、中砂790千克、钢渣轻骨料510千克、聚羧酸高效减水剂5.1千克。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)发明的碳化钢渣轻骨料采用轻质多孔的玻化微珠作为填充料，轻质高强，能够进一步降低所制备轻骨料的密度，并且玻化微珠的球状特征增加制球过程中混合物的流动性，有助于钢渣轻骨料均匀快速成型，提高其强度。本发明的碳化钢渣轻骨料堆积密度最低仅约为592kg/m³，筒压强度最大为8.0MPa。

(2)本发明的碳化钢渣轻骨料未采用水泥作为胶结材料，而是选用生石灰进行粘结，能够在生产过程中减少CO₂的排放，低碳环保。更重要的是，生石灰中含有大量的CaO，在骨料碳化过程中能吸收外界更多的CO₂来提高骨料的强度并减少骨料的孔隙率，能进一步降低碳排放量，推动绿色建材的发展，具有很强的环保效益和社会效益。

(3)本发明的碳化钢渣轻骨料具有多孔特征，将其进行预饱和水处理后作为混凝土的粗骨料，能够增强混凝土的内部养护能力，提高混凝土胶凝材料的水化程度从而增大混凝土的强度。同时，还能减少混凝土的早期体积收缩，降低混凝土开裂的风险。

附图说明

图1为实施例3中碳化钢渣轻骨料的实物图。

图2为实施例4中未碳化钢渣轻骨料的实物图。

图3为碳化钢渣轻骨料混凝土抗压强度示意图。

图4为碳化钢渣轻骨料混凝土非接触收缩示意图。

其中，附图标记具体说明如下：

具体实施方式

本发明提供一种碳化钢渣轻骨料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、称取40-60质量份的钢渣粉、30-50质量份的玻化微珠以及10-30质量份的生石灰放入托盘中混合形成均匀的混合粉体；

步骤二、按一定的水灰比向混合粉体表面均匀喷洒水珠，并不断的摇晃振荡托盘，粉体与水混合形成小球，粒径不断增大，得到粒径范围为5-20mm钢渣轻骨料；

步骤三、将钢渣轻骨料放置在温度20±1℃，相对湿度为55±5％的养护室内养护48h；

步骤四、将养护好的钢渣轻骨料放入温度为20±1℃，相对湿度为70±5％，CO₂浓度为80％的碳化箱中碳化24h，由此得到碳化钢渣轻骨料。

钢渣粉的比表面积为280m²/kg；玻化微珠的比表面积为120m²/kg，堆积密度为240kg/m³,表观密度为400kg/m³；生石灰比表面积为400m²/kg，有效CaO质量分数大于 75％。

为了使发明实现的技术手段、创造特征、达成目的和功效易于明白了解，下结合具体实施例，进一步阐述本发明。以下实施例中所使用的原材料若非特指，均为公知的，市售化工原料。

实施例1

本实施例提供一种碳化钢渣轻骨料的制备方法，所述方法包括以下步骤：称取40质量份的钢渣粉、40质量份的玻化微珠以及20质量份的生石灰按0.30的水灰比进行混合成球，将得到的钢渣轻骨料放在温度为20±1℃，相对湿度为55±5％的养护室内养护48h。再将养护好的轻骨料放入温度为20±1℃，相对湿度为70±5％，CO₂浓度为80％的碳化箱中碳化24h，由此得到碳化钢渣轻骨料，记为A1。

实施例2

本实施例提供一种碳化钢渣轻骨料的制备方法，所述方法包括以下步骤：称取50质量份的钢渣粉、40质量份的玻化微珠以及10质量份的生石灰按0.30的水灰比进行混合成球，将得到的钢渣轻骨料放在温度为20±1℃，相对湿度为55±5％的养护室内养护48h。再将养护好的轻骨料放入温度为20±1℃，相对湿度为70±5％，CO₂浓度为80％的碳化箱中碳化24h，由此得到碳化钢渣轻骨料，记为A2。

实施例3

本实施例提供一种碳化钢渣轻骨料的制备方法，所述方法包括以下步骤：称取50质量份的钢渣粉、30质量份的玻化微珠以及20质量份的生石灰按0.30的水灰比进行混合成球，将得到的钢渣轻骨料放在温度为20±1℃，相对湿度为55±5％的养护室内养护48h。再将养护好的轻骨料放入温度为20±1℃，相对湿度为70±5％，CO₂浓度为80％的碳化箱中碳化24h，由此得到碳化钢渣轻骨料，记为A3。本实施例中制备的碳化钢渣轻骨料见图 1。

实施例4

本实施例提供一种钢渣轻骨料的制备方法，所述方法包括以下步骤：称取50质量份的钢渣粉、30质量份的玻化微珠以及20质量份的生石灰按0.20的水灰比进行混合成球，将得到的钢渣轻骨料放在温度为20±1℃，相对湿度为55±5％的养护室内养护48h，得到钢渣轻骨料，记为NA。本实施例中制备的钢渣轻骨料见图2。

性能检验测试

本实施例提供一种碳化钢渣轻骨料的性能测试方法，所述方法包括以下步骤：将实施例1-4所得到的碳化和未碳化钢渣轻骨料按照国家标准《轻集料及其试验方法》(GB/T17431-2010)进行堆积密度测试、吸水率测试和筒压强度测试。具体测试结果分别见表1-3。

表1钢渣轻骨料的堆积密度(kg/m³)

编号	A1	A2	A3	NA
					堆积密度	592	628	657	649

表2钢渣轻骨料吸水率(％)

编号	A1	A2	A3	NA
					吸水率	21.9	21.5	19.8	25.4

表3钢渣轻骨料的筒压强度(MPa)

编号	A1	A2	A3	NA
					筒压强度	6.7	5.5	8.0	3.9

本实施例提供一种碳化钢渣轻骨料的应用，所述方法包括以下步骤：将实施例1-4所得到的碳化和未碳化钢渣轻骨料按表4所示配合比成型混凝土试块，按照国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T 50081-2002)测试混凝土试块的7d和28d抗压强度，并按照国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009) 测试新拌混凝土72h内的非接触收缩值。具体测试结果分别见图3和图4。

表4钢渣轻骨料混凝土配合比(kg/m³)

材料

水泥

矿粉

粉煤灰

水

细骨料

粗骨料

外加剂

备注

P.O42.5

S95

Ⅱ级

自来水

中砂

钢渣轻骨料

高效

用量

223

97

70

170

790

510

5.1

由表1-表3，图3、图4可知，钢渣轻骨料的堆积密度最小达到了592kg/m³，碳化后的钢渣轻骨料吸水率均小于未碳化钢渣轻骨料，由此可知碳化能够降低钢渣轻骨料的孔隙率，并且碳化后的钢渣轻骨料的筒压强度都要大于未碳化的钢渣轻骨料，最大的筒压强度能达到8.0MPa，说明本发明能有效制备轻质高强的钢渣粗骨料，碳化能显著提高骨料的强度。钢渣轻骨料混凝土的抗压强度变化规律和钢渣轻骨料的筒压强度变化规律基本一致，并且钢渣轻骨料的多孔结构的吸水特性有助于混凝土的内部养护，所测得的非接触收缩率都很小。由此表明本发明的钢渣轻骨料可以作为粗骨料应用于混凝土的制备中。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种碳化钢渣轻骨料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、称取40-60质量份的钢渣粉、30-50质量份的玻化微珠以及10-30质量份的生石灰放入托盘中混合形成均匀的混合粉体；钢渣粉的比表面积为280m²/kg；玻化微珠的比表面积为120 m²/kg，堆积密度为240kg/m³,表观密度为400kg/m³；生石灰比表面积为400 m²/kg，有效CaO质量分数大于75%；

步骤二、按一定的水灰比向混合粉体表面均匀喷洒水珠，并不断的摇晃振荡托盘，粉体与水混合形成小球，粒径不断增大，得到钢渣轻骨料；

步骤三、将钢渣轻骨料放置在温度20±1℃，相对湿度为55±5%的养护室内养护48h；

步骤四、将养护好的钢渣轻骨料放入温度为20±1℃，相对湿度为70±5%，CO₂浓度为80%的碳化箱中碳化24h，由此得到碳化钢渣轻骨料。

2.如权利要求1所述的一种碳化钢渣轻骨料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，包括50质量份钢渣粉、30质量份玻化微珠、20质量份生石灰。

3.如权利要求1所述的一种碳化钢渣轻骨料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，水与混合粉体的质量比为0.3，钢渣轻骨料的粒径范围为5-20mm。

4.如权利要求3所述的一种碳化钢渣轻骨料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，托盘单位面积的喷水量相同。

5.一种包含碳化钢渣轻骨料的混凝土，其特征在于，包括水泥、矿粉、粉煤灰、拌合水、细骨料、外加剂及权利要求1-4任一项所述的碳化钢渣轻骨料。

6.如权利要求5所述的一种包含碳化钢渣轻骨料的混凝土，其特征在于，单方混凝土中，按重量计，包括以下各组分：P.O42.5水泥223千克、S95矿粉97千克、Ⅱ级粉煤灰70千克、自来水170千克、中砂790千克、钢渣轻骨料510千克、聚羧酸高效减水剂5.1千克。

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